Refinement von Injektionsanästhesien bei Sprague-Dawley-Ratten: - eine Vergleichsstudie zur Eignung verschiedener Anästhetika

Der heute noch gängige Einsatz von Injektionsanästhetika bei Laborratten basiert zum großen Teil auf empirischen Daten. Auf der Grundlage des deutschen Tierschutzgesetzes sind Wissenschaftler verpflichtet, das nach dem derzeitigen Kenntnisstand schonendste Betäubungsmittel zu verwenden. Die wissenschaftlichen Daten zur intra- und postoperativen Belastung bei vielen Anästhetika sind lückenhaft. Daher wurden in dieser Studie im Sinne des „Refinements“ von Tierversuchen verschiedene Injektionsnarkosen bei 69 männlichen und weiblichen 6-8 Wochen alten Sprague-Dawley-Ratten im Rahmen einer stereotaktischen Gehirnoperation (OP) verglichen, bei der zumeist Injektionsnarkosen Verwendung finden. Die Ratten wurden entweder mit Chloralhydrat (CH: 3,6 %, 430 mg/kg intraperitoneal [i.p.] KGW), mit der vollständig antagonisierbaren Anästhesie (Medetomidin 0,15 mg/kg Körpergewicht [KGW], Midazolam 2 mg/kg KGW, Fentanyl 0,005 mg/kg KGW intramuskulär [i.m]) ohne (VAA-Gruppe) bzw. mit Antagonisierung (sog. VAA+A-Gruppe) zum OP-Ende (Atipamezol 0,75 mg/kg, Flumazenil 0,2 mg/kg, Naloxon 0,12 mg/kg subcutan [s.c.]) anästhesiert und nach Erreichen des Stadiums der chirurgischen Toleranz (cT), gekennzeichnet durch den Ausfall des Zwischenzehenreflexes an des Hintergliedmaße (ZZR hi.), einer 60-minütigen OP unterzogen. Eine weitere Gruppe erhielt eine i.p.-Bolusinjektion Propofol in einer Dosis von 120 mg/kg KGW, die sich im Rahmen von Vorversuchen als geeignet herausgestellt hatte, um bei Ratten eine Hypnose zu bewirken. Anschließend wurde Propofol zu Erzeugung und Aufrechterhaltung einer cT per Dauerinfusion i.v. (4 - 6 mg/kg/h) verabreicht. Kontrolltiere erhielten eine Injektion mit isotoner Kochsalzlösung (i.p.) ohne OP. Die Erfassung des KGWs erfolgte 3 Tage vor bis 2 Tage nach der OP. Im Vorfeld wurde jedes Tier über 3 Tage an das Tragen eines Pulsoximeterclips am Hals gewöhnt. Dies diente der Ermittlung von Basiswerte für die Atemfrequenz (AF), Herzfrequenz (AF) und die periphere Sauerstoffsättigung (SpO2)am wachen, freibeweglichen Tier am Tag der Anästhesie mittels MouseOx®-Pulsoximeter. In Narkose wurden die Tiere mittels Pulsoximeter, Reflextests (ZZR hi., Lid- [LR] und Cornealreflex [CR]) und Rektalthermometer überwacht. Die externe Wärmezufuhr wurde über eine elektrische Wärmeplatte (37 °C) vorgenommen Zu zwei Zeitpunkten erfolgten Blutabnahmen zur Bestimmung der Adrenalin- (A) und Noradrenalinwerte (NA) mittels HPLC. Der Verlust der cT wurde anhand festgelegter Kriterien bestimmt (ZZR hi. positiv, Zuckungen, lautes Vokalisieren, Zähneknirschen) und die Tiere ggf. nachdosiert. Prä- und postoperativ wurde immunreaktives Corticosteron (iCS) mittels ELISA aus Kotproben ermittelt. Zudem wurde die prä- vs. postoperative Belastung durch Etablierung eines nummerischen Scoresystems und Videoüberwachung der Tiere bewertet. 48 h nach der OP wurden die Ratten euthanasiert und relevante Organe und Gewebe für die histopathologische und immunhistochemische Untersuchung entnommen, um mögliche Anästhetika bedingte Irritationen sowie eine stressinduzierte Aktivierung von c-Fos-Proteinen in schmerz-assoziierten Gehirnregionen zu analysieren. Eine weitere Gruppe erhielt eine Inhalationsnarkose mit 3 % Isofluran (ISO) ohne OP und diente der Ermittlung von A und NA Basiswerten. Die AF lag bei 104 ± 1,05 Atemzüge/min, die HF bei 396 ± 2,10 Herzschläge/min und die SpO2 bei 95,7 ± 0,09 % (Angaben als Mittelwerte ± Standardfehler). Die Verwendung des MouseOx®-Pulsoximeters erwies sich als geeignete Methode zur Ermittlung von Wachwerten bei freibeweglichen Ratten. Alle CH-anästhesierten Tiere erreichten das cT-Stadium. Die Dauer der cT lag bei 49,14 ± 4,48 min, die Narkosedauer bei 155,66 ± 8,21 min. Während der Narkose zeigten die Tiere Tachykardie, Tachypnoe sowie eine geringgradig erniedrigte SpO2 und eine leichte Hypothermie. Erhöhte A/NA-Spiegel wiesen auf eine deutlich höhere intraoperative Stressbelastung in der CH-Gruppe hin. Auch iCS war in der CH-Gruppe im Vergleich zu VAA/VAA+A signifikant erhöht. Vom Tag der Anästhesie/OP auf den Folgetag verloren CH-Tiere durchschnittlich 9,4 g KGW. Postoperativ waren bei den Tieren keine bis geringe Anzeichen für Schmerz und/oder Disstress zu erkennen. Histopathologisch zeigten alle Ratten eine Peritonitis und Perihepatitis, 44 % der Tiere multifokale, akute Lebernekrosen und 22 % eine Perisplenitis. 95 % der mittels VAA anästhesierten Tiere erreichten die cT mit einer Dauer von 47,83 ± 7,05 min (VAA) bzw. 44,77 ± 5,27 min (VAA+A). Bei VAA-Tieren betrug die gesamte Narkosedauer 182,23 ± 20,58 min. Bei der VAA-Anästhesie insgesamt waren signifikante geschlechtsspezifische Unterschiede in der Latenzzeit bis zum Erreichen der 1. cT, der cT-Dauer und der Narkosedauer festzustellen. Die VAA-Anästhesie führte zu einer mittelgradiger Atemdepression und milden Hypothermie bei signifikant niedrigeren A/NA-Werten im Vergleich zu CH. Eine Nachdosierung ging mit einem vorrübergehenden signifikanten Abfall der SpO2 einher. Tiere der VAA+A-Gruppe erwachten 3,05 ± 0,21 min nach der s.c. Antagonisierung aus der Narkose. Anschließend zeigten sie starke Aufregung und Unruhe und ein verändertes Aktivitätsmuster, eine Stunde später teils Piloerektion sowie Ataxien. Die Körperkerntemperatur (KT) der VAA+A-Tiere sank innerhalb 1. Stunde nach der Antagonisierung signifikant ab. Einige Tiere wiesen eine Myositis als Folge der i.m. Applikation auf. Nach PROP-Anästhesie erreichten nur 36 % der Tiere das cT. Im Narkoseverlauf kam es bei diesen Tieren zu einer starken Beeinträchtigung der Atemfunktion. PROP-Tiere wiesen einen signifikanten Abfall der KT und Anzeichen verlängerter Sedation nach Wiedererwachen sowie die höchsten iCS-Gehalte auf. Insgesamt verstarben 4 von 11 Tieren wegen starker Atemdepression intra- oder postoperativ. Interessanterweise waren die nach ISO-Anästhesie ermittelten A/NA-Konzentrationen signifikant höher gegenüber allen Injektionsanästhesie-Gruppen. Die Ergebnisse dieser Studie belegen, dass die CH-Anästhesie mit gesteigerter Stresshormonfreisetzung einherging. Die Verwendung 3,6 %iger CH-Lösungen ist insbesondere wegen der massiven histopathologischen Befunde abzulehnen, obwohl die Tiere subjektiv ein scheinbar gutes Wohlbefinden aufwiesen. Die i.p. Applikation von Propofol erzeugte nur eine oberflächliche Anästhesie. Aufgrund der starken postanästhetischen Exzitationen sollte sie nur bedingt für kurze, nicht schmerzhafte Manipulation verwendet werden. Die initiale i.p. Propofol-Gabe mit anschließender i.v.-Infusion ist der reinen i.v. Gabe unterlegen und nicht empfehlenswert. Die VAA-Anästhesie ist für Ratten für stereotaktische OPs hingegen gut geeignet. Dabei ist eine exogene Wärmezufuhr auch nach der Antagonisierung zwingend notwendig, da das Thermoregulations-vermögen nach Wiedererwachen nicht ausreichend wiedererlangt wurde. Auf eine Belastung durch die unerwünschten Wirkungen der Antagonisierung wie Aufregung und Unruhe sowie durch die postanästhetische Hypothermie konnte nur anhand subjektiver Kriterien geschlossen werden. Hier sind weitere Untersuchungen nötig. Sofern kein Anästhesienotfall besteht, kann allerdings auf die Antagonisierung verzichtet werden, da in der Nachschlafzeit unter externer Wärmezufuhr (37 - 38 °C) kein wesentliches Risiko einer lebensbedrohlichen Hypothermie bzw. Kreislauf- und Atemdepression besteht.Injectable anesthetics are still commonly used today, but mainly this is based on empirical data. In line with the German Animal Welfare Act, researches have to choose the least stressful anesthetic. However, scientific data about pain and distress during and after anesthesia are rare. To contribute to the refinement of animal experiments, we therefore investigated the suitability of different injectable anesthetics during a stereotactic surgery, for which kind of surgery injectable anesthetics are mostly used, in 69 male and female, 6 - 8 weeks old Sprague-Dawley rats. Rats were anesthetized with either chloral hydrate (CH: 3.6 %, 430 mg/kg intraperitoneal [i.p.]), with a complete reversible anesthesia (medetomidine 0.15, midazolam 2, fentanyl 0.0005 mg/kg intramuscular [i.m]) without (MMF) and with reversal (MMF with reversal) at the end of surgery (atipamezole 0.75, flumazenile 0.2, naloxone 0.12 mg/kg subcutaneous [s.c.]) or with propofol (PROP). The PROP-group received an i.p. bolus injection of propofol (120 mg/kg), shown to generate hypnosis in proceedings, followed by constant intravenous infusion (4 - 6 mg/kg/h) to achieve and maintain surgical tolerance (st). After reaching surgical anesthesia, indicated by loss of the pedal withdrawal reflex of the hind limb, a 60 minute surgery was undertaken. Rats with saline injection and without surgery served as control. Body weight of each rat was assessed 3 days before the surgery until 2 days after surgery. Over 3 days prior anesthesia and surgery, rats were adapted to wear a collar clip for MouseOx® pulse oximeter, used to gain basal of respiratory rate (RR), heart rate (HR) and peripheral oxygen saturation (pO2) values in awake and freely moving rats. During narcosis, monitoring was conducted via pulse oximeter, reflex tests (pedal withdrawal reflex, corneal and palpebral reflex) and rectal thermometer. All animals were placed on an electrical heating pad (37 °C). Levels of adrenalin and noradrenalin (A/NA) were analyzed at two designated time points via HPLC. Movement of the body or the extremities, audible vocalizations and teeth grinding were classified as defined criteria for the loss of st. If animals lost st during surgery, they received an additional anesthetic dose. Immunoactive corticosteron (iCS) in feces was determined by ELISA immunoassay before and after surgery. Moreover, different signs of pain and distress were scored by using a numerical pain scale and including video recordings. Rats were sacrificed 48 h after surgery for histopathological and immunhistochemical examination to analyze potential irritation on abdominal organs and tissue as well as stress-induced activation of c-Fos-protein in brain regions associated with pain. Furthermore, 5 rats were deeply anesthetized with 3 % isoflurane (ISO) and immediately sacrificed for reference values of A and NA. The RR assessed by MouseOx® pulse oximeter was 104 ± 1.05 brpm with a HR of 396 ± 2.10 bpm and an pO2 of 95.7 ± 0.09 % (results present the mean ± standard error). The MouseOx® pulse oximeter was found in the present study to be suitable to measure accurate values for awake and freely moving rats. All rats undergoing CH anesthesia reached st. The duration of the st was 49.14 ± 4.48 min, duration of narcosis was 155.66 ± 8.21 min. During the whole narcosis animal showed tachypnoea, tachycardia as well as minimal depressed pO2-levels and a slightly hypothermia. Elevated levels of A/NA indicated a high intraoperative distress. In addition, iCS levels were significantly elevated in comparison to the MMF-group. CH-rats lost 9.4 g of bodyweight from day of surgery to the following day. Overall, post-surgical little or no signs of pain and distress were observed after awakening from anesthesia, but all CH-rats exhibited peritonitis and perihepatitis, 44 % acute multifocal liver necrosis and 22 % perisplenitis. 95 % in the MMF-group reached satisfactory surgical anesthesia with duration of 47.83 ± 7.05 min (MMF) or 44.77 ± 5.27 min (MMF with reversal). Without reversal, MMF anesthesia lasted 182.23 ± 20.58 min. Gender-differences were noted in the latency to st, duration of st as well as duration of narcosis. Rats undergoing MMF anesthesia showed moderate depression of respiratory function and mild hypothermia. The A/NA levels were lower than in the CH-rats. Rats that received additional doses of MMF to maintain st showed a transient significant decrease of pO2. Core body temperature decreased significantly during 1 h after reversal. Post-mortem examination revealed myositis in some of the MMF-rats. MMF-rats with reversal awaked from anesthesia after 3.05 ± 0.31 min. Afterwards the rats were restless and agitated. After 1 h some of the rats exhibited piloerection and ataxic movements. Only 36 % of PROP-rats reached sufficient surgical anesthesia, accompanied by a pronounced respiratory depression. PROP-rats exhibited a significant decrease of core body temperature and signs of prolonged sedation after awakening from anesthesia. 4 of 11 rats died from respiratory failure during or after surgery. Surprisingly, levels of A/NA after ISO inhalation anesthesia were significantly higher compared to the injection groups. The results of this study indicate that CH anesthesia is associated with an increased liberation of stress hormones. The use of a 3.6 % solution of CH has to be refused especially because of the pathohistological findings, despite animals showed subjectively a good well-being. Propofol administered as an i.p. bolus produced only hypnosis. Therefore, i.p. injections are marely useful for short and non-painful procedures. However, post-anesthetic excitations represent limitations. The initial i.p. propofol bolus followed by intravenous infusion is therefore less suitable than an absolute intravenous administration. Thus, i.p. injections cannot be recommended. The complete reversible combination MMF is considered as suitable for stereotactic surgeries of Sprague-Dawley rats. There is an urgent need to continue heating after awakening, because thermoregulation is insufficiently restored after reversal of MMF anesthesia. Distress through the undesirable effects of the reversal like agitation and restlessness and through hypothermia was presumed only by subjective criteria. Further investigations are needed here. If there is no emergency situation, reversal should be avoided. In case of permanent external heating (37 - 38 °C) there is no major risk of life-threatening hypothermia or depression of respiratory or cardiovascular function during sleeping time